特表 2024-501363 充電システム、電圧変換ユニット、貯蔵ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-11

(54)【発明の名称】充電システム、電圧変換ユニット、貯蔵ユニット

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20231228BHJP

   B60L 53/14 20190101ALI20231228BHJP

   B60L 53/20 20190101ALI20231228BHJP

   B60L 3/00 20190101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 L

H02J7/00 P

B60L53/14

B60L53/20

B60L3/00 S

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023557838

(86)(22)【出願日】2021-12-03

(85)【翻訳文提出日】2023-07-30

(86)【国際出願番号】 IB2021000767

(87)【国際公開番号】W WO2022118070

(87)【国際公開日】2022-06-09

(31)【優先権主張番号】01541/20

(32)【優先日】2020-12-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CH

(31)【優先権主張番号】00079/21

(32)【優先日】2021-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CH

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】323000929

【氏名又は名称】ブルサ ハイパワー アーゲー

(71)【出願人】

【識別番号】598051819

【氏名又は名称】メルセデス・ベンツ グループ アクチェンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓ－Ｂｅｎｚ Ｇｒｏｕｐ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｍｅｒｃｅｄｅｓｓｔｒａｓｓｅ １２０，７０３７２ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ，Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100122426

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 清志

(72)【発明者】

【氏名】ホビ，ハネス

(72)【発明者】

【氏名】ハンゼルマン，マルク

【テーマコード（参考）】

5G503

5H125

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA11

5G503CC02

5G503CC08

5G503FA06

5G503GB03

5H125AA01

5H125AC12

5H125AC24

5H125BC21

5H125CD04

5H125DD02

5H125FF16

(57)【要約】

電気自動車の蓄電池（４８）用の充電システム（２）は、
電圧変換ユニット（３）と貯蔵ユニット（４）を備え、
貯蔵ユニット（４）は、２つの供給端子（４４、４５）を介して電気エネルギーを供給するように設計されており、
貯蔵ユニット（４）の蓄電池（４８）は、２つの端子（４８１、４８２）を備え、この２つの端子は、第２および第３断路器（４６、４７）を介して供給端子（４４、４５）に切断可能に接続され、
電圧変換ユニット（３）は、貯蔵ユニット（４）とは別体であり、３つの端子（３１、３２、３３）を介して貯蔵ユニット（４）に接続される構成ユニットとして設計され、接続状態であり、
貯蔵ユニット（４）内で
－ ３つの端子のうちの２つ（３２、３３）が、蓄電池（４８）の２つの端子（４８１、４８２）に接続され、そして、
－ ３つの端子のうちの第３端子（３１）は、供給端子（４４、４５）のうちの１つに接続されており、
電圧変換ユニット（３）内では、電圧変換ユニット（３）の３つの端子のうち第３端子（３１）が、第１断路器（３６）を介してつながっている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電圧変換ユニット（３）と貯蔵ユニット（４）と、
を備え、
前記貯蔵ユニット（４）は、２つの供給端子（４４、４５）を介して電気エネルギーを供給するように設計されており、
前記貯蔵ユニット（４）の蓄電池（４８）は、２つの端子（４８１、４８２）を備え、この２つの端子は、第２および第３断路器（４６、４７）を介して前記供給端子（４４、４５）に切断可能に接続され、前記電圧変換ユニット（３）は、前記貯蔵ユニット（４）とは別個の構成ユニットとして設計されており、前記電圧変換ユニット（３）の３つの端子（３１、３２、３３）を介して前記貯蔵ユニット（４）に接続され、接続状態において、
前記貯蔵ユニット（４）内で
－ 前記電圧変換ユニット（３）の前記３つの端子のうち２つ（３２、３３）が、前記蓄電池（４８）の前記２つの端子（４８１、４８２）に接続されており、かつ
第２の実施形態の変形によると、
前記貯蔵ユニット（４）内において、
－ 前記電圧変換ユニット（３）の前記３つの端子のうちの第３端子（３１）は、第１断路器（３６ｂ）を介して前記供給端子（４４、４５）の１つに接続され、
または第１の実施形態の変形によると、
前記貯蔵ユニット（４）内において、
－ 前記電圧変換ユニット（３）の前記３つの端子のうちの前記第３端子（３１）は、前記供給端子（４４、４５）のうちの１つに接続されており、
前記電圧変換ユニット（３）内では、前記電圧変換ユニット（３）の前記３つの端子のうち前記第３端子（３１）が、第１断路器（３６）を介してつながっている、
特に移動用の蓄電池（４８）用、特に電気自動車の蓄電池（４８）用の充電システム（２）。

【請求項2】

前記電圧変換ユニット（３）が、
入力端子（３１）と、
出力端子（３２）と、
共通端子（３３）と、
前記入力端子（３１）と前記共通端子（３３）との間に存在する入力電圧を、前記出力端子（３２）と前記共通端子（３３）との間に存在する出力電圧に変換する電圧変換器（３７）と、
を備え、
前記貯蔵ユニット（４）が、
前記電圧変換ユニット（３）の前記入力端子（３１）に接続するための第１端子（４１）と、
前記電圧変換ユニット（３）の前記出力端子（３２）に接続され、前記蓄電池（４８）の前記第１端子（４８１）に供給するための第２端子（４２）と、
前記電圧変換ユニット（３）の前記共通端子（３３）に接続され、前記蓄電池（４８）の前記２端子（４８２）に供給するための前記第３端子（４３）と、
充電スタンド（１）の第１充電端子（１１）に接続するための第１供給端子（４４）と、
前記充電スタンド（１）の第２充電端子（１２）に接続するための第２供給端子（４５）、
を備え、
第２の実施形態の変形によれば、
前記貯蔵ユニット（４）内において、
－ 前記第１供給端子（４４）は、前記第１断路器（３６ｂ）を介して前記貯蔵ユニット（４）の前記第１端子（４１）に切断可能に接続され、
－ 前記貯蔵ユニット（４）の第２端子（４２）と蓄電池（４８）の第１端子（４８１）とが、前記第２断路器（４６）を介して前記第１供給端子（４４）に切断可能に接続されるとともに、
－ 前記貯蔵ユニット（４）の前記第３端子（４３）と前記蓄電池（４８）の前記第２端子（４８２）とが、前記第３断路器（４７）を介して前記第２供給端子（４５）に切断可能に接続され、
または第１の実施形態の変形によれば、
前記電圧変換ユニット（３）内において、
－ 前記電圧変換ユニット（３）の前記入力端子（３１）は、前記第１断路器（３６）を介して前記電圧変換器（３７）から切断可能であり、
前記貯蔵ユニット（４）内において、
－ 前記第１供給端子（４４）は、前記貯蔵ユニット（４）の前記第１端子（４１）に接続され、
－ 前記貯蔵ユニット（４）の前記第２端子（４２）と前記蓄電池（４８）の前記第１端子（４８１）とが、前記第２断路器（４６）を介して前記第１供給端子（４４）に切断可能に接続され、かつ、
－ 前記貯蔵ユニット（４）の前記第３端子（４３）と前記蓄電池（４８）の前記第２端子（４８２）とが、前記第３断路器（４７）を介して前記第２供給端子（４５）に切断可能に接続されることを特徴とする請求項１に記載の前記充電システム（２）。

【請求項3】

前記電圧変換ユニット（３）は、前記貯蔵ユニット（４）とは独立して製造、取り扱い、運搬できるように設計されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の充電システム（２）。

【請求項4】

前記電圧変換ユニット（３）が前記貯蔵ユニット（４）に接続される前記３つの端子（３１、３２、３３）を備え、前記３つの端子は、解放可能かつ再接続可能な端子、特にプラグイン端子またはネジ端子またはクランプ端子であることを特徴とした請求項１～３のいずれか一項に記載の充電システム（２）。

【請求項5】

前記供給端子（４４、４５）が単一のプラグまたは２つの別個のプラグに形成され、特にこの単一のプラグまたはこれら２つのプラグがそれぞれパイロット回路または安全回路用の安全接点を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の充電システム（２）。

【請求項6】

前記供給端子（４４、４５）は、前記電圧変換ユニット（３）によって供給可能な最大充電電流の２倍以上である最大急速充電電流用に設計されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の充電システム（２）。

【請求項7】

前記供給端子（４４、４５）が３００アンペア以上、特に４００アンペア以上の最大急速充電電流用に設計されており、および／または電圧変換ユニット（３）が５０アンペア以上、特に１００アンペア以上の最大充電電流用に設計されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の充電システム（２）。

【請求項8】

入力電圧源の第１極に接続するための前記入力端子（３１）と、
給電されるコンシューマーの第１極に接続するための前記出力端子（３２）と、
前記入力電圧源の第２極および前記コンシューマーの第２極に接続するための前記共通端子（３３）と、
を備え、
前記入力端子（３１）は、前記第１断路器（３６）を介して接続されることを特徴として、
特に、請求項１～７のいずれか一項に記載の前記充電システム（２）において使用するための電圧変換ユニット（３）。

【請求項9】

前記２つの供給端子（４４、４５）と前記蓄電池（４８）を備え、
前記蓄電池（４８）が、前記第２および第３断路器（４６、４７）を介して前記供給端子（４４、４５）に接続される切断可能な前記２つの端子（４８１、４８２）を備え、
前記貯蔵ユニット（４）が、前記電圧変換ユニット（３）の対応する端子に接続するための３つの前記端子（４１、４２、４３）を備えており、
前記貯蔵ユニット（４）内において、
－ ３つの端子のうち２つ（４２、４３）が、前記蓄電池（４８）の前記２つの端子（４８１、４８２）に接続され、
第２の実施形態の変形例によれば、
－ ３つの端子のうちの前記第３端子（４１）は、前記第１断路器（３６ｂ）を介して前記供給端子（４４、４５）のうちの１つに切断可能に接続され、
または第１の実施形態の変形例によれば、
－ ３つの端子のうちの前記第３端子（４１）は、前記供給端子（４４、４５）のうちの１つに接続されることを特徴とする、
特に、請求項１～７のいずれか一項に記載の前記充電システムで使用するための貯蔵ユニット（４）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気エネルギー貯蔵、特に移動式電気エネルギー貯蔵、特に電気自動車用の充電システムの分野に関する。

【背景技術】

【0002】

既知の充電装置、特に電気自動車用の充電装置は、通常、充電スタンドと電気エネルギー貯蔵装置の間に接続されている。充電装置は、充電スタンドに存在する電圧を貯蔵装置の電圧レベルにオンデマンドで適合させる役割を果たす。これは、充電スタンドの電圧に依存する。充電装置の入力に存在するこの電圧は、電圧変換の必要なくエネルギー貯蔵（バイパスモード）に切り替えることができるか、またはエネルギー貯蔵の電圧レベルに応じて変換器で変換する必要がある。このような充電装置には規制が適用されることがあり、それによると、エネルギー貯蔵装置は、機械的な断路器によって充電スタンドから全極的に切り離すことができなければならない。

【0003】

既知の充電装置では、電圧変換ユニットが存在し、当該電圧変換ユニットは、充電スタンドとエネルギー貯蔵装置（典型的には充電式電池またはアキュムレータ）との間に接続されている。バイパス動作では、急速充電行われ、その間に比較的高い電流が発生するため、電圧変換ユニットの導体断面積をそれに応じて大きく設計する必要がある。さらに、全極遮断のためには、電圧変換ユニット内に複数の断路器を設ける必要がある。さらに、モジュール設計の場合、電圧変換ユニットの有無にかかわらず、不必要な要素の重複が生じる可能性がある。
公知の充電装置の例は、ＤＥ １０ ２０１７ ２２０ ２８７ Ａ１ および ＤＥ １０ ２０１８ ２０７ １８５ Ａ１に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】ドイツ１０２０１７２２０２８７公開公報

【特許文献2】ドイツ１０２０１８２０７１８５公開公報

【0005】

従って、本発明の目的は、前述の欠点を克服した、最初に述べたタイプの充電システム、電圧変換ユニット、および貯蔵ユニットを提供することである。

【0006】

これらの目的の少なくとも１つは、それぞれの独立請求項の特徴を備えた充電システム、電圧変換ユニット、および貯蔵ユニットによって達成される。

【0007】

そのため、３つの断路器によって、蓄電池と、電圧変換ユニット内に配置された電圧変換器を、供給端子から全極的に切断することが可能である。

【0008】

さらに、貯蔵ユニットにはさらに断路器が存在するため、電圧変換ユニットには断路器を１つだけ、または全く装備しないことも可能である。また、電圧変換ユニットは充電スタンドに直接接続されておらず、貯蔵ユニットを介して接続されているため、充電スタンドからの電圧変換ユニットの切断は、貯蔵ユニット内の断路器を介して行うことができる。

【0009】

さらに、このために使用される導線を電圧変換ユニットに通すことなく、２つの供給端子を介して、貯蔵ユニットを充電スタンドに直接接続することも可能である。これにより、バイパスモードで急速充電された場合に発生するような高電流を電圧変換ユニットに通す必要がなくなり、電圧変換ユニット３の導体をそれに応じて小さく設計することができる。

【0010】

さらに、電圧変換ユニットを全く使用せずに、貯蔵ユニットを設計および動作させることも可能である。ここでは、充電スタンドに接続するための供給線と同様に、貯蔵ユニットの２つの供給端子をそのまま採用して動作させることができる。これにより、同じ貯蔵ユニットから始めて、電圧変換ユニットの有無にかかわらず構成を実現することができる。製造時には、貯蔵ユニットが両方の構成にそのまま適用できるため、これは有利である。また、これを内蔵した貯蔵ユニットや車両は、動作開始後に電圧変換ユニットを後付けすることもできる。電圧変換ユニットは、モジュールとして存在することも、しないこともできる。このようなモジュールは、１つの断路器だけで構成されているか、まったく断路器がない場合もある。これにより、断路器の総数は最小限に抑えられる。

【0011】

実施形態では、充電システムは請求項２に従って設計されている。

【0012】

実施形態では、充電システムは請求項３に従って設計される。これにより、充電システムを別個のモジュール、すなわち電圧変換ユニットおよび貯蔵ユニットの形態で製造し、使用のためにそれらを一緒にすることが可能である。特に、このようにモジュール化された充電システムは、電圧変換ユニットの有無にかかわらず動作できる。

【0013】

実施形態では、充電システムは請求項４に従って設計されている。これにより、電圧変換ユニットと貯蔵ユニットの間の接続を簡単な方法で作成および解除することが可能である。

【0014】

実施形態では、貯蔵システムは請求項５に従って設計されている。これにより、電気自動車技術で一般的なロックシステム、例えばインターロックやＨＶ－インターロック、またはパイロット接点で貯蔵システムを動作させることが可能である。

【0015】

実施形態では、充電システムは、請求項６および／または請求項７に従って設計される。これにより、充電システムは電気自動車での使用に適している。充電システムの好適な電圧は、例えば４００ボルトまたは８００ボルトとすることができる。

【0016】

電圧変換ユニットは、請求項８に従って設計されている。これにより、入力端子は、第１断路器によって電圧変換ユニットの電圧変換器から切り離されることができる。

【0017】

貯蔵ユニットは請求項９に基づき設計されている。これにより、電圧変換ユニットの有無にかかわらず、貯蔵ユニットを動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

以下、本発明の主題を、添付図面に示された好ましい実施例によってより詳細に説明する。それぞれの場合の概略は次のとおりである：

【図1】図１は、電圧変換ユニットと貯蔵ユニットを備えた充電システムを示している。

【図2】図２は、電圧変換ユニットの具体的な第１実施形態を備えた充電システムを示している。

【図3】図３は、第２の実施形態による、電圧変換ユニットと貯蔵ユニットを備えた充電システムを示している。

【図4】図４は、電圧変換ユニットの具体的な第２の実施形態を備えた第２の実施形態による充電システムを示している。

【0019】

基本的に、図中、同一または機能的に同等な部品には同一の参照数字を付している。

【0020】

図１は、充電スタンド１に接続された充電システム２を示している。充電システム２は、電圧変換ユニット３と貯蔵ユニット４を備える。

【0021】

電圧変換ユニット３は、入力端子３１と、出力端子３２と、共通端子３３と、入力端子３１と共通端子３３との間に存在する入力電圧を出力端子３２と共通端子３３との間に存在する出力電圧に変換する電圧変換器３７とを備える。

【0022】

電圧変換器３７の動作中、その入力電圧は充電スタンド１の出力電圧に等しく、その出力電圧は蓄電池４８の電圧に等しい。

【0023】

貯蔵ユニット４は、以下：
電圧変換ユニット３の入力端子３１に接続するための第１端子４１と、
電圧変換ユニット３の出力端子３２に接続され、蓄電池４８の第１端子４８１に給電するための第２端子４２と、
電圧変換ユニット３の共通端子３３に接続され、蓄電池４８の第２端子４８２に供給される第３端子４３と、
充電スタンド１の第１充電端子１１に接続するための第１供給端子４４と、
充電スタンド１の第２充電端子１２に接続するための第２供給端子４５と、
を備えている。

【0024】

第１及び第２供給端子４４，４５と充電スタンド１の第１充電端子１１及び第２充電端子１２との接続は、それぞれ第１供給ライン１３及び第２供給ライン１４を介して行われる。

【0025】

実施形態では、２つの供給ライン１３、１４は別々のケーブルとして設計され、２つの供給端子４４、４５は別々のプラグに形成される。これにより、高充電電流用に設計する必要がある場合に、個々の別個のケーブルが重くなりすぎないようにすることができる。

【0026】

実施形態では、２つの供給ライン１３、１４は共通のケーブルに設計され、２つの供給端子４４、４５は共通のプラグに形成される。

【0027】

電圧変換ユニット３内において、
－ 電圧変換ユニット３の入力端子３１は、第１断路器３６を介して電圧変換器３７から切断可能である。

【0028】

貯蔵ユニット４内において、
－ 第１供給端子４４が貯蔵ユニット４の第１端子４１に接続され
－ 貯蔵ユニット４の第２端子４２と蓄電池４８の第１端子４８１とは、第２断路器４６を介して第１供給端子４４に切断可能に接続されており
－ 貯蔵ユニット４の第３端子４３と蓄電池４８の第２端子４８２は、第３断路器４７を介して第２供給端子４５に切断可能に接続されている。

【0029】

実施形態では、貯蔵ユニット４の第１端子４１に接続されるのは、第１供給端子の代わりに第２供給端子４５である。蓄電池４８と充電スタンド１の極性が同じであれば、これは極性を逆にした電圧変換器３７の動作方法に相当する。

【0030】

貯蔵ユニット４、特に蓄電池４８は、バッテリー管理システム（図示せず）および／または既知のタイプの充電の閉ループ制御を備えることができる。後者は、例えば通信接続（図示せず）を介して充電スタンド１および／または電圧変換ユニット３を制御することができる。

【0031】

実施形態では、貯蔵ユニット４は、車両の場合、トラクション回路とも呼ばれるコンシューマー回路の一部であるか、コンシューマー回路に接続されている。さらに、貯蔵ユニット４は、蓄電池４８の第１および第２端子４８１、４８２を残りの要素、例えば電圧変換ユニット３およびコンシューマー回路から切り離すためのさらなる断路器４８３、４８４を備えることができる。貯蔵ユニット４の切断のためのこのようなさらなる断路器４８３、４８４の存在は、規格によって規定することができる。

【0032】

断路器３６、４６、４７および電圧変換器３７の制御は、制御装置１００および通信接続（図示せず）によって行われる。例として、制御装置１００は電圧変換ユニット３内に描かれているが、貯蔵ユニット４内または両ユニットの外部に配置することもできる。機能及び安全性を確保するための更なる共通要素、例えば供給端子４４、４５を監視するための要素は図示されていない。

【0033】

充電スタンド１から供給される電圧が、蓄電池４８の充電に必要な電圧と等しくない場合、充電システム２を変換モードに切り替えることができる。この場合、第２断路器４６が開かれ、第１断路器３６と第３断路器４７が閉じられる。電圧変換器３７はパルス化される。

【0034】

ここで、電圧変換器３７は貯蔵ユニット４の第１端子４１および第１供給端子４４、第１供給ライン１３を介して電圧変換ユニット３の入力端子３１に存在する第１充電端子１１の電圧を、電圧変換ユニット３の出力端子３２に存在する電圧に変換する。この電圧は、貯蔵ユニット４の第２端子４２を介して蓄電池４８の第１端子４８１に存在する。前述の電圧は共通端子３３に対するものである。

【0035】

第２充電端子１２の電圧は、第２供給ライン１４および第２供給端子４５を介して貯蔵ユニット４の第３端子４３に存在し、従って電圧変換ユニット３の共通端子３３にも、蓄電池４８の第２端子４８２にも存在する。

【0036】

充電スタンド１から供給される電圧が蓄電池４８の充電に必要な電圧と等しい場合、充電システム２はバイパスモードに切り替えられる。この場合、第１断路器３６は開かれ、第２断路器４６と第３断路器４７は閉じられる。電圧変換器３７はクロックされない。充電スタンド１の電圧は蓄電池４８に存在する。

【0037】

充電システム２が充電スタンドから電気的に分離される場合、３つの断路器３６、４６、４７がすべて開かれる。

【0038】

蓄電池４８は通常、充電式バッテリーまたはアキュムレータである。

【0039】

電圧変換器３７は原則としてＤＣ－ＤＣコンバータである。例えば、充電ポンプ、昇圧コンバータ、降圧コンバータ、または昇圧－降圧コンバータのような組み合わせ、あるいはＤＣ－ＤＣコンバータを実現するブリッジ回路のような異なるトポロジーを持つことができる。チャージポンプは、電圧を２倍にするように設計することも、電圧を逓倍するように設計することもできる。

【0040】

原則として、動作時に電圧変換器３７は、入力端子３１および共通端子３３を介して電圧変換器３７に給電する充電スタンド１から、出力端子３２および共通端子３３を介して電圧変換器３８から給電される蓄電池４８に電気エネルギーを伝達する。実施形態では、エネルギーが逆方向に伝達される再供給モードを追加的に実現することもできる。このために、受動弁（ダイオード）を電圧変換器３７の能動半導体スイッチに置き換えることができる。

【0041】

図２は、電圧変換器３７がチャージポンプとして設計された充電システム２を示している。ここに示すチャージポンプの実施形態では、インダクタンスＬＲＥＳが蓄積容量ＣＲＥＳと直列に接続されており、これによって共振発振回路が形成されている。この電圧変換器３７の機能の仕方は、ＷＯ ２０１８／０４６３７０ Ａ１に説明されており、その内容は、参照によりその全体が明示的に組み込まれる。図２には、蓄電池４８を分離するためのさらなる断路器４８３、４８４も示されている。これらは、図１による一般的な描写においても提示し得る。

【0042】

図３および図４は、それぞれ図１および図２に類似する充電システムを示しており、この充電システムでは、第１断路器３６が電圧変換ユニット３に配置されておらず、貯蔵ユニット４に第１断路器３６として配置されている。ここで、貯蔵ユニット４の第１供給端子４４または第２供給端子４５は、貯蔵ユニット４の第１断路器３６ｂを介して貯蔵ユニット４の第１端子４１に切断可能に接続されている。従って、図３および図４の実施形態では、電圧変換ユニット３には、特に、電圧変換ユニット３の３つの端子３１を切り離すための断路器が存在しない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】